JP6097104B2 - 重金属含有溶液の処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、重金属含有溶液から重金属を除去する技術に関する。

鉱物資源の枯渇、産業廃棄物処分場の逼迫等の状況から、リサイクル等を目的として、重金属含有溶液から重金属を分離する技術に期待が集まっている。カチオン交換樹脂やキレート樹脂等のイオン交換樹脂に重金属含有溶液を通液して、溶液中から重金属を分離するイオン交換樹脂法は、重金属分離方法の一つであり、例えば、希薄溶液からの分離等に適している。

また、イオン交換樹脂法を用いた重金属のリサイクル方法としては、目的とする重金属をイオン交換樹脂に吸着させ、次に硫酸等の酸でイオン交換樹脂に吸着した重金属を溶離して回収する方法が知られている。溶離(回収)液は必要に応じて、リサイクルしやすい性状にするための精製等が実施される。

特開２００４−１７４４１８号公報 特開２００６−１３７９８７号公報

ところで、イオン交換樹脂からの溶離液には、高純度の重金属が含まれていることが望ましい。高純度の重金属を含有させることにより、溶離液の価値が高まること、その後の純度を高めるための精製コストを安価、簡易にすることができる。例えば、重金属メッキ洗浄廃液からの重金属回収においては、Ｎａ形もしくはＨ形もしくは双方のイオン形が混合したカチオン交換樹脂、またはキレート樹脂等のイオン交換樹脂で重金属を吸着した後、酸でイオン交換樹脂に吸着した重金属を溶離して回収する。その溶離液に高純度の重金属が含まれており、メッキ成分以外の不純物がなければ、その溶離液をそのままメッキ原液として再利用できるため、費用・効率面等の点から望ましい。

溶離液中の重金属を高純度とするためには、酸等でイオン交換樹脂に吸着した重金属を溶離する時点において、イオン交換樹脂に残留するＮａ形またはＨ形等の官能基の量をいかに減らせるか、言い換えれば、重金属含有溶液由来の重金属等の成分をイオン交換樹脂の官能基（イオン交換基）にいかに多く吸着させることができるかにある。イオン交換樹脂中に残存するＮａ形またはＨ形等の官能基の量が多いと、該官能基由来のＮａ、Ｈが、イオン交換樹脂から重金属が溶離する際に、重金属と共に溶離液に混入してしまうため、純度を低めてしまう場合がある。したがって、イオン交換樹脂の官能基が重金属等で飽和される状態になるまで、重金属含有溶液をイオン交換樹脂に通液させることが望ましい。

しかし、イオン交換樹脂の官能基が重金属等で飽和された状態（以下、単にイオン交換樹脂の飽和状態と呼ぶ場合がある）を検知することは困難である。飽和状態を検知する指標としては、イオン交換樹脂から排出された処理水のｐＨ変動が挙げられるが、飽和状態のイオン交換樹脂から排出された処理液のｐＨ変動はごくわずかであるため、例えば市販のｐＨ計では、処理液のｐＨ変動を検知することが非常に困難で、イオン交換樹脂の飽和状態を検知することができない。これは、処理水のｐＨ変動を処理水の金属濃度変動、Ｎａ濃度変動等に置き換えても、市販の金属濃度計やＮａ濃度計等では、処理水中の上記濃度変動を検知することは困難である。

そこで、本発明の目的は、イオン交換樹脂の官能基が重金属等で飽和された状態を検知して、重金属含有溶液の通液停止時期を制御することができる重金属含有溶液の処理方法を提供することである。

本発明は、少なくとも２つのイオン交換樹脂充填塔を直列に接続した多段式イオン交換樹脂充填塔に重金属含有溶液を通液して、前記溶液から重金属を除去する重金属含有溶液の処理方法であって、前記溶液中の重金属濃度（ｍｇ当量／Ｌ）と第１段目のイオン交換樹脂充填塔に通液する前記溶液の通液速度（ｍ／ｈ）との積が３以上３００以下の範囲となるように、前記多段式イオン交換樹脂充填塔に前記溶液を通液し、第２段目のイオン交換樹脂充填塔から排出される処理水のｐＨの変動に基づいて、前記第１段目のイオン交換樹脂充填塔のイオン交換樹脂が飽和されたと判断し、前記多段式イオン交換樹脂充填塔への前記溶液の通液を停止する重金属含有溶液の処理方法である。

また、前記重金属含有溶液の処理方法において、前記第１段目のイオン交換樹脂充填塔のイオン交換樹脂の充填量に対する前記２段目のイオン交換樹脂充填塔のイオン交換樹脂の充填量の比は０．８〜１．２５の範囲であることが好ましい。

また、前記重金属含有溶液の処理方法において、前記第１段目のイオン交換樹脂充填塔に通液する前記溶液の通液速度は、１ｍ／ｈ以上２００ｍ／ｈ以下の範囲であることが好ましい。

また、前記重金属含有溶液の処理方法において、前記第１段目及び前記第２段目のイオン交換樹脂充填塔に充填されるイオン交換樹脂は、弱酸性カチオン交換樹脂であることが好ましい。

また、前記重金属含有溶液の処理方法において、前記第２段目のイオン交換樹脂充填塔から排出される処理水のｐＨの変動が、基準値から０．５以上変動した際、又は０．００３ｐＨ／処理倍量以上となった際に、前記多段式イオン交換樹脂充填塔への前記溶液の通液を停止することが好ましい。

また、前記重金属含有溶液の処理方法において、前記溶液の通液停止後に、前記第１段目のイオン交換樹脂充填塔に酸溶液を通液して、前記第１段目のイオン交換樹脂充填塔から排出される処理液を回収することが好ましい。

本発明によれば、イオン交換樹脂の官能基が重金属等で飽和された状態を検知して、重金属含有溶液の通液停止時期を制御することができる重金属含有溶液の処理方法を提供することである。

本実施形態に係る重金属含溶液の処理方法を実施するための処理装置の構成の一例を示す模式図である。 実施例１〜３及び比較例１の通液工程における１段目及び２段目のイオン交換樹脂充填塔から排出される処理液のｐＨの推移を示す図である。 実施例４の通液工程における１段目及び２段目のイオン交換樹脂充填塔から排出される処理液のｐＨの推移を示す図である。 実施例５及び６の通液工程における１段目及び２段目のイオン交換樹脂充填塔から排出される処理液のｐＨの推移を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。

図１は、本実施形態に係る重金属含溶液の処理方法を実施するための処理装置の構成の一例を示す模式図である。図１に示す処理装置１は、貯留槽１０、流入ライン１２、供給ポンプ１４、第１イオン交換樹脂充填塔１６、第２イオン交換樹脂充填塔１８、一次処理水排出第１ライン２０、最終処理水排出ライン２２、ｐＨ計２４、を備えている。第１イオン交換樹脂充填塔１６と第２イオン交換樹脂充填塔１８は直列に接続されている。ここで、直列に接続されるとは、重金属含有溶液が１段目のイオン交換樹脂充填塔に流入し、１段目のイオン交換樹脂充填塔を通過して排出された溶液が２段目のイオン交換樹脂充填塔に流入する構成になっていることを言う。第１イオン交換樹脂充填塔１６及び第２イオン交換樹脂充填塔１８には、イオン交換樹脂が充填されている。

供給ポンプ１４は流入ライン１２に設置されており、ｐＨ計２４は最終処理水排出ライン２２に設置されている。流入ライン１２の一端は貯留槽１０に接続され、他端は第１イオン交換樹脂充填塔１６に接続される。一次処理水排出第１ライン２０の一端は第１イオン交換樹脂充填塔１６に接続され、他端は第２イオン交換樹脂充填塔１８に接続されている。最終処理水排出ライン２２の一端は第２イオン交換樹脂充填塔１８に接続され、他端は系外に設けられる処理水槽等に接続されている。

図１に示すように処理装置１は、さらに酸貯留槽２６、酸添加ライン２８、酸添加ポンプ３０、溶離液回収ライン３２、を備えている。酸添加ポンプ３０は酸添加ライン２８に設置されている。酸添加ライン２８の一端は酸貯留槽２６に接続され、他端は流入ライン１２に接続されている。溶離液回収ライン３２の一端は最終処理水排出ライン２２に接続され、他端は系外に設けられる溶離液貯留槽等に接続されている。

図１に示す処理装置１は、さらに、分岐第１ライン３４、一次処理水排出第２ライン３６、分岐第２ライン３８、を備えている。分岐第１ライン３４の一端は流入ライン１２に接続され、他端は一次処理水排出第１ライン２０に接続されている。一次処理水排出第２ライン３６の一端は第２イオン交換樹脂充填塔１８に接続され、他端は流入ライン１２に接続されている。分岐第２ライン３８の一端は一次処理水排出第１ライン２０に接続され、他端は最終処理水排出ライン２２に接続されている。分岐第１ライン３４、一次処理水排出第２ライン３６、分岐第２ライン３８、を備えることにより、第１イオン交換樹脂充填塔１６及び第２イオン交換樹脂充填塔１８の間で通液順序を入れ替えることが可能となる。すなわち、第１イオン交換樹脂充填塔１６及び第２イオン交換樹脂充填塔１８の一方を１段目のイオン交換樹脂充填塔とし、他方を２段目のイオン交換樹脂充填塔とするかを任意に設定することが可能となる。

以下に、図１に示す処理装置１の動作について説明する。

本実施形態の処理対象である重金属含有溶液は、貯留槽１０に貯留されている。本実施形態における重金属とは、比重が４以上の金属をいい、例えば、Ｆｅ、Ｈｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｔｉ等が挙げられる。

本実施形態の処理装置１では、少なくとも２つのイオン交換樹脂充填塔を直列に接続した多段式イオン交換樹脂充填塔に重金属含有溶液を通液して、溶液中の重金属をイオン交換処理により吸着除去する通液工程と、１段目のイオン交換樹脂充填塔内のイオン交換樹脂を再生する再生工程とを１サイクルとして、これらの工程を繰り返して実施する。本実施形態では、まず、１段目を第１イオン交換樹脂充填塔１６とし、２段目を第２イオン交換樹脂充填塔１８とした場合について説明する。但し、重金属含有溶液の通液順序は、第１及び第２イオン交換樹脂充填塔間で変更可能であり、１サイクル毎に、重金属含有溶液の通液順序を第１及び第２イオン交換樹脂充填塔間で変更することが好ましい。

＜通液工程＞
供給ポンプ１４を稼働させると共に、流入ライン１２に設けられるバルブ４０及び４２、一次処理水排出第１ライン２０に設けられるバルブ４４、最終処理水排出ライン２２に設けられるバルブ４６及び４８を開く。これにより、貯留槽１０内の重金属含有溶液が流入ライン１２から第１イオン交換樹脂充填塔１６に供給される。第１イオン交換樹脂充填塔１６内のイオン交換樹脂により、溶液中の重金属等が吸着される。第１イオン交換樹脂充填塔１６から排出される一次処理水は一次処理水排出第１ライン２０を通り、第２イオン交換樹脂充填塔１８に供給される。通液初期においては、重金属は第１イオン交換樹脂充填塔１６内のイオン交換樹脂により吸着されるため、一次処理水中にはほとんど重金属は含まれない。しかし、通液を継続し、第１イオン交換樹脂充填塔１６内のイオン交換樹脂の官能基が重金属等で飽和される状態（以下、単に第１イオン交換樹脂の飽和状態と呼ぶ場合がある）に近づくにつれ、第１イオン交換樹脂充填塔１６から重金属がリークする。しかし、一次処理水中に重金属が含まれていても、第２イオン交換樹脂充填塔１８内のイオン交換樹脂により、一次処理水中の重金属が吸着されるため、重金属が除去された最終処理水が第２イオン交換樹脂充填塔１８内から排出される。

さらに重金属含有溶液の通液を継続すれば、第１イオン交換樹脂充填塔１６内のイオン交換樹脂の官能基が重金属等で飽和される状態となる。しかし、イオン交換樹脂の官能基が重金属等で飽和されると、重金属含有溶液の重金属はイオン交換樹脂に吸着されることなく、ほとんどそのままイオン交換樹脂を通過するため、前述したように、飽和状態のイオン交換樹脂から排出された処理液のｐＨ変動はごくわずかとなる。したがって、通常、第１イオン交換樹脂充填塔１６内のイオン交換樹脂の飽和状態を第１イオン交換樹脂充填塔１６から排出される一次処理水のｐＨ変動から検出することは困難である。そこで、本発明者らは鋭意検討した結果、以下の通液条件で、重金属含有溶液を通液させることにより、イオン交換樹脂の飽和状態を検知することが可能となることを見出した。

本実施形態の通液工程では、溶液中の重金属濃度（ｍｇ当量／Ｌ）と１段目のイオン交換樹脂充填塔（本実施形態では第１イオン交換樹脂充填塔１６）に通液する重金属含有溶液の通液速度（ＬＶ（ｍ／ｈ））の積が３以上３００以下の範囲となるように、２段直列に接続された多段式イオン交換樹脂充填塔に重金属含有溶液を通液する。

このような通液条件で、重金属含有溶液の通液を行うことにより、次のような現象が起きる。すなわち、第１段目のイオン交換樹脂充填塔内のイオン交換樹脂が飽和に近くなると、次第に第１段目のイオン交換樹脂充填塔を素通りして第２段目のイオン交換樹脂充填塔に流入する重金属が増加する。第２段目のイオン交換樹脂充填塔に流入した重金属が第２段目のイオン交換樹脂充填塔で樹脂に吸着され、吸着が進んで一部の重金属が第２段目のイオン交換樹脂充填塔内のイオン交換樹脂からリークすると、第２段目のイオン交換樹脂充填塔から排出される処理液のｐＨが下がることになる。本発明の方法によれば、第１段目のイオン交換樹脂充填塔内の樹脂が十分に飽和した後に、第２段目のイオン交換樹脂充填塔から重金属がリークし始め、処理液のｐＨが低下する。すなわち、第２段目のイオン交換樹脂充填塔から排出される処理水のｐＨ変動により、第１段目のイオン交換樹脂充填塔内のイオン交換樹脂の官能基が重金属等で飽和されたことを検知することができる。また、本実施形態では、第２段目のイオン交換樹脂充填塔から排出される処理水のｐＨ変動に基づいて、重金属含有溶液の通液を停止する。

このように、前述の通液条件で重金属含有溶液の通液を行い、第２段目のイオン交換樹脂充填塔から排出される処理水のｐＨ変動に基づいて、重金属含有溶液の通液停止の制御を行うことにより、第１イオン交換樹脂充填塔１６内のイオン交換樹脂の官能基は重金属等で飽和した状態となり、また、第２イオン交換樹脂充填塔１８から排出される最終処理水に重金属が混入することも抑制することができる。ここでイオン交換樹脂の官能基が重金属等により飽和された状態とは、重金属含有溶液由来のカチオン成分が９９．８％〜１００．０％の範囲にある状態を言う。重金属含有溶液由来のカチオン成分が９９．８％未満では、官能基由来のＮａやＨ等が後述する再生工程で得られる溶離液中に混入し、目標液質との差異が大きくなってしまう場合がある。

溶液中の重金属濃度（ｍｇ当量／Ｌ）と１段目のイオン交換樹脂充填塔（第１イオン交換樹脂充填塔１６）に通液する重金属含有溶液の通液速度（ＬＶ（ｍ／ｈ））の積が３００を超える値で重金属含有溶液の通液を行った場合、イオン交換帯長さが長くなってしまうため、２段目のイオン交換樹脂充填塔（本実施形態では第２イオン交換樹脂充填塔１８）から重金属がリークし始めた時には、まだ１段目のイオン交換樹脂充填塔（第１イオン交換樹脂充填塔１６）内のイオン交換樹脂の官能基は重金属等で飽和した状態に達していない。また、溶液中の重金属濃度と１段目のイオン交換樹脂充填塔に通液する重金属含有溶液の通液速度の積が３未満の値で重金属含有溶液の通液を行った場合、重金属の処理に時間が掛かり、処理効率が悪くなる場合がある。

前述したように、本実施形態では、２段目のイオン交換樹脂充填塔から排出される処理水のｐＨ変動に基づいて、イオン交換樹脂充填塔への重金属含有溶液の通液を停止する。具体的には、最終処理水排出ライン２２を流れる最終処理水のｐＨをｐＨ計２４により検出して、最終処理水のｐＨが基準値から０．５以上変動した場合に、重金属含有溶液の通液を停止することが好ましい。なお、最終処理水のｐＨが基準値から０．５未満変動した段階で重金属含有溶液の通液を停止すると、測定誤差等によって、誤って通液を停止してしまう場合がある。ここで基準値は、２段目のイオン交換樹脂充填塔から重金属がリークしていない時の最終処理水のｐＨ値に設定されるものであり、例えば、重金属含有溶液濃度（ｍｇ当量／Ｌ）×総通液量（Ｌ）÷２段目イオン交換樹脂量(Ｌ−樹脂)が１０００（ｍｇ当量／Ｌ−樹脂）に達するまでに得られる最終処理水のｐＨ値に設定されることが望ましい。

また、最終処理水排出ライン２２を流れる最終処理水のｐＨが０．００３ｐＨ／処理倍量以上変動した場合に、重金属含有溶液の通液を停止することが好ましい。ここで、ｐＨ／処理倍量は、最終処理液のｐＨを縦軸に、処理倍量を横軸にとってｐＨと処理倍量の関係をグラフ化した場合に、ｐＨの変化を示すグラフ（曲線又は直線）のある処理倍量の時点での接線の傾き（すなわち微分値）として表される。また、処理倍量とは通液時の２段目のイオン交換樹脂充填塔に充填されるイオン交換樹脂の体積に対するある時点におけるそれまでの重金属含有溶液の総通液量で求められる。すなわち、処理倍量は、（重金属含有溶液の総通液量）／（２段目のイオン交換樹脂充填塔に充填されるイオン交換樹脂の体積）で求められる。

重金属含有溶液の通液を停止する場合には、供給ポンプ１４を停止し、通液する際に開いたバルブをすべて閉じる。

＜再生工程＞
前述の通液工程終了後、酸添加ポンプ３０を稼働させ、酸添加ライン２８に設けられたバルブ５０、流入ライン１２に設けられたバルブ４２、分岐第２ライン３８に設けられたバルブ６０、溶離液回収ライン３２に設けられたバルブ５４を開くことにより、酸貯留槽２６内の酸溶液が流入ライン１２を通って、１段目のイオン交換樹脂充填塔である第１イオン交換樹脂充填塔１６に供給され、イオン交換樹脂の再生が行われる。この際、イオン交換樹脂に吸着されていた重金属が酸溶液とイオン交換され、重金属を含む溶離液として第１イオン交換樹脂充填塔１６から排出される。重金属を含む溶離液は、一次処理水排出第１ライン２０、分岐第２ライン３８、溶離液回収ライン３２を通って、例えばリサイクルを目的として、系外に設けられる溶離液貯留槽等に回収される。

本実施形態では、前述したように、１段目のイオン交換樹脂充填塔内のイオン交換樹脂の官能基は重金属等で飽和された状態となっているため、再生工程により得られる溶離液は、重金属の純度の高い溶離液として回収することが可能となる。したがって、重金属の純度を高める等組成を変えるための精製等をほとんど必要とせず、回収した溶離液をそのまま再利用することが可能となる。

本実施形態では、前述の通液工程、再生工程を１サイクル目として実施し、２サイクル目では、１段目のイオン交換樹脂充填塔を第２イオン交換樹脂充填塔１８とし、２段目のイオン交換樹脂充填塔を第１イオン交換樹脂充填塔１６として通液工程及び再生工程を実施する。

２サイクル目の通液工程では、供給ポンプ１４を稼働させると共に、流入ライン１２に設けられるバルブ４０、分岐第１ライン３４に設けられるバルブ５６、一次処理水排出第２ライン３６に設けられるバルブ５８、分岐第２ライン３８に設けられるバルブ６０、最終処理水排出ライン２２に設けられるバルブ４８を開く。これにより、貯留槽１０内の重金属含有溶液が流入ライン１２、分岐第１ライン３４を通って、第２イオン交換樹脂充填塔１８に供給される。溶液中の重金属は第２イオン交換樹脂充填塔１８内のイオン交換樹脂により、吸着される。第２イオン交換樹脂充填塔１８から排出される一次処理水は一次処理水排出第２ライン３６を通り、第１イオン交換樹脂充填塔１６に供給される。一次処理水中に重金属が含まれている場合には、第１イオン交換樹脂充填塔１６内のイオン交換樹脂により、一次処理水中の重金属が吸着され、重金属が除去された最終処理水が第１イオン交換樹脂充填塔１６内から排出される。最終処理水は、分岐第２ライン３８、最終処理水排出ライン２２を通り、例えば系外に設けられる最終処理液貯留槽等に供給される。

２サイクル目の通液工程の通液条件も、溶液中の重金属濃度（ｍｇ当量／Ｌ）と１段目のイオン交換樹脂充填塔（本実施形態では第２イオン交換樹脂充填塔１８）に通液する重金属含有溶液の通液速度（ＬＶ（ｍ／ｈ））の積が３以上３００以下の範囲となるように、多段式イオン交換樹脂充填塔に重金属含有溶液を通液する。この通液条件により、２段目の第１イオン交換樹脂充填塔１６から重金属がリークするまでに、１段目の第２イオン交換樹脂充填塔１８内のイオン交換樹脂の官能基が重金属等で飽和される。

また、２サイクル目の通液工程でも、最終処理水排出ライン２２を流れる最終処理水のｐＨをｐＨ計２４により検出する。そして、最終処理水排出ライン２２を流れる最終処理水のｐＨ変動に基づいて、イオン交換樹脂充填塔への重金属含有溶液の通液を停止する。これにより、１段目のイオン交換樹脂充填塔内のイオン交換樹脂の官能基を重金属等で飽和させると共に、最終処理水中に重金属が混入することを抑制することができる。重金属含有溶液の通液を停止する場合には、供給ポンプ１４を停止し、通液する際に開いたバルブをすべて閉じる。

次に、再生工程では、酸添加ポンプ３０を稼働させ、分岐第１ライン３４に設けられたバルブ５６、最終処理水排出ライン２２に設けられたバルブ４６、溶離液回収ライン３２に設けられたバルブ５４を開く。そして、酸貯留槽２６内の酸溶液が流入ライン１２、分岐第１ライン３４を通って、１段目の第２イオン交換樹脂充填塔１８に供給され、イオン交換樹脂の再生が行われる。この際、重金属を含む溶離液が第２イオン交換樹脂充填塔１８から排出され、最終処理水排出ライン２２、溶離液回収ライン３２を通って、例えばリサイクルを目的として、系外に設けられる溶離液貯留槽等に回収される。

また、３サイクル、４サイクルと通液工程及び再生工程を繰り返し行う場合には、第１イオン交換樹脂充填塔１６と第２イオン交換樹脂充填塔１８との間で重金属含有溶液の通液順序を前述したように入れ替えればよい。

本実施形態の重金属含有溶液の処理方法におけるその他の条件について説明する。

第１イオン交換樹脂充填塔１６及び第２イオン交換樹脂充填塔１８に充填されるイオン交換樹脂は、重金属を吸着することができるイオン交換樹脂であれば特に制限されるものではないが、例えば、強酸性カチオン交換樹脂、弱酸性カチオン交換樹脂等のカチオン交換樹脂、イミノジ酢酸形キレート樹脂等のキレート樹脂等が挙げられる。本実施形態で用いられるイオン交換樹脂は、重金属選択性の点等から、イミノジ酢酸形キレート樹脂を用いることが好ましいが、吸着した重金属の溶離性（再生効率）の点等から、弱酸性カチオン交換樹脂を用いることがより好ましい。弱酸性カチオン交換樹脂は、強酸性カチオン交換樹脂より、溶離性(再生効率)が良いので、再生工程において使用する酸の量をより少なくできるとともに、溶離液のｐＨを中性付近に保つことができる。なお、第１イオン交換樹脂充填塔１６及び第２イオン交換樹脂充填塔１８に充填されるイオン交換樹脂は、それぞれ種類の異なるイオン交換樹脂であってもよいが、同じ種類のイオン交換樹脂であることが好ましい。

本実施形態では、第１イオン交換樹脂充填塔１６のイオン交換樹脂の充填量に対する第２イオン交換樹脂充填塔１８のイオン交換樹脂の充填量の比が０．８〜１．２５の範囲となるように、それぞれのイオン交換樹脂充填塔にイオン交換樹脂を充填させておくことが好ましい。充填量の比が上記範囲を満たすことにより、イオン交換樹脂充填塔間のイオン交換性能が同程度となるため、２サイクル目以降においても、前述の通液条件で、２段目のイオン交換樹脂充填塔からの重金属のリーク時期と１段目のイオン交換樹脂充填塔に充填されたイオン交換樹脂の官能基が重金属で飽和される時期とが同調し易くなる。

第１イオン交換樹脂充填塔１６の断面積に対する第２イオン交換樹脂充填塔１８の断面積の比は、０．８〜１．２５の範囲とすることが好ましい。断面積の比が上記範囲を満たすことにより、イオン交換樹脂充填塔間の通液速度が同程度となるため、２サイクル目以降においても、前述の通液条件において、２段目のイオン交換樹脂充填塔からの重金属のリーク時期と１段目のイオン交換樹脂充填塔に充填されたイオン交換樹脂の官能基が重金属で飽和される時期とが同調し易くなる。

重金属含有溶液の通液速度は、重金属含有溶液の流量とイオン交換樹脂等の断面積により求められる。したがって、供給ポンプ１４の出力を調節する等して重金属含有溶液の流量を調整すれば、重金属含有溶液の通液速度を制御することが可能となる。そして、１段目のイオン交換樹脂充填塔に通液する重金属含有溶液の通液速度は、前述の通液条件を満たせば特に制限されるものではないが、処理効率(処理時間)、圧力損失等の点において、１ｍ／ｈ以上２００ｍ／ｈ以下の範囲を満たすことが好ましい。１段目のイオン交換樹脂充填塔に通液する重金属含有溶液の通液速度が上記範囲外では、処理に時間がかかりすぎたり、消費エネルギーが増えすぎたりして、非効率となる場合がある。

重金属含有溶液中の重金属濃度は、貯留槽１０内に重金属濃度計を設置すること等により測定することができる。重金属含有溶液中の重金属濃度は前述の通液条件を満たせば特に制限されるものではないが、イオン交換樹脂の総交換容量等の点において、１０００ｍｇ当量/Ｌ以下の範囲を満たすことが好ましい。通常、貯留槽１０内の重金属含有溶液の重金属濃度はほとんど変動しないため、重金属濃度計等により測定した濃度値に基づいて前述の通液条件を満たすように１段目のイオン交換樹脂充填塔に通液する重金属含有溶液の通液速度を調整すればよい。但し、本実施形態では、重金属濃度の変動を制限するものではなく、例えば、１段目のイオン交換樹脂充填塔に通液する重金属含有溶液の通液速度を一定として、前述の通液条件を満たすように、重金属含有溶液を希釈又は濃縮して重金属含有溶液中の重金属濃度を調整してもよい。

再生工程において使用する酸は、重金属を溶離できるものであれば、特に制限されるものではないが、再利用のしやすさ及び取り扱い性の点等から、硫酸または塩酸が望ましい。なお、再生工程において硫酸を使用した場合には、重金属硫酸塩の溶離液として回収され、塩酸を使用した場合には、重金属塩酸塩の溶離液として回収される。

以下、実施例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図１に示す処理装置を用いて、以下の条件で重金属含有溶液を処理した。重金属含有溶液の通液順序は第１イオン交換樹脂充填塔、第２イオン交換樹脂充填塔とした。

（イオン交換樹脂）
Ｎａ形弱酸性カチオン交換樹脂として、「アンバーライトＩＲＣ７６」（ダウ・ケミカル社製、総交換容量２．５ｇ当量／Ｌ−Ｒ（樹脂））、体積３００ｍＬを使用した。このカチオン交換樹脂を樹脂製カラム（充填塔）に充填して、カチオン交換樹脂充填塔とした。樹脂製カラムは円筒形状のものであり、その内直径は２５．４ｍｍ、長さは１０００ｍｍであった。このようなイオン交換樹脂充填塔を２つ製作した。

（重金属含有溶液）
重金属含有溶液の液質は、ニッケル濃度が１１７ｍｇ／Ｌ(４．０ｍｇ当量／Ｌ)、ｐＨが７．７、導電率が１５０μＳ／ｃｍであった。

（金属等の測定）
Ｎａおよび重金属（ニッケル）は、フレーム原子吸光法によって測定した。Ｒ−Ｎａ％の測定は、以下のようにして行った。通液終了後のイオン交換樹脂を取り出し、４重量％の塩酸でＮａを抽出した。抽出液中のＮａ濃度をフレーム原子吸光法によって分析し、イオン交換樹脂の総イオン交換容量（ｍｇ当量）における吸着Ｎａのｍｇ当量の％として求めた。

（通液条件）
第１イオン交換樹脂充填塔及び第２イオン交換樹脂充填塔に通液する重金属含有溶液の通液速度を５０ｍ／ｈｒ（２５．３Ｌ／ｈｒ）とした。すなわち、重金属溶液中の重金属濃度と第１イオン交換樹脂充填塔に通液する重金属含有溶液の通液速度との積が２００となるように重金属含有溶液の通液を行った。

（通液工程の終点）
最終処理水排出ラインに設けたｐＨ計により、第２イオン交換樹脂充填塔から排出された最終処理液のｐＨを計測し、計測したｐＨ値が基準値より０．５低下した時点を通液工程の終点とし、重金属含有溶液の通液を停止した。上記基準値を重金属含有溶液の総通液量が５０Ｌに達した時点の最終処理液のｐＨ値とした。その結果、重金属含有溶液の総通液量が４５０Ｌに達した時に、最終処理液のｐＨ値が基準値より０．５低下したため、重金属含有溶液の通液を停止した。なお、参考として第１イオン交換樹脂充填塔から排出された一次処理液のｐＨも同様に測定した。ｐＨ計は、東亜ディーケーケー社製「イオン・ｐＨメータ ＩＭ−５５Ｇ」を用いた。

（再生工程）
再生工程では、１０ｗｔ％硫酸を使用し、再生レベルを９．０ｇ当量／Ｌ−Ｒ（樹脂）、硫酸通液量を４．１Ｌ／Ｌ−Ｒ（樹脂）とし、再生剤の流量を４ＢＶ／時間とした。この条件での含有重金属濃度(ｍｇ当量／Ｌ)と通液速度(ｍ／ｈ)の積は２００となる。

（実施例２）
実施例２では、重金属含有溶液の通液速度を７５ｍ／ｈｒとし、重金属含有溶液中の重金属と第１イオン交換樹脂充填塔に通液する重金属含有溶液の通液速度の積を３００としたこと以外は実施例１と同様の条件とした。その結果、重金属含有溶液の総通液量が４３０Ｌに達した時に、最終処理液のｐＨ値が基準値より０．５低下したため、重金属含有溶液の通液を停止した。

（実施例３）
実施例３では、重金属含有溶液の通液速度を１ｍ／ｈｒとし、重金属含有溶液中の重金属と第１イオン交換樹脂充填塔に通液する重金属含有溶液の通液速度の積を４としたこと以外は実施例１と同様の条件とした。その結果、重金属含有溶液の総通液量が５２０Ｌに達した時に、最終処理液のｐＨ値が基準値より０．５低下したため、重金属含有溶液の通液を停止した。

（比較例１）
比較例１では、重金属含有溶液の通液速度を８０ｍ／ｈｒとし、重金属含有溶液中の重金属と第１イオン交換樹脂充填塔に通液する重金属含有溶液の通液速度の積を３２０としたこと以外は実施例１と同様の条件とした。その結果、重金属含有溶液の総通液量が４００Ｌに達した時に、最終処理液のｐＨ値が基準値より０．５低下したため、重金属含有溶液の通液を停止した。他の条件は実施例１と同じである。

実施例１〜３及び比較例１において、１段目及び２段目のイオン交換樹脂充填塔から排出される処理液のｐＨ、通液工程終了後の１段目のイオン交換樹脂充填塔に充填されたイオン交換樹脂のＲ−Ｎａ％（総交換容量に対するＮａ形のまま残留したイオン交換容量の割合）、１段目のイオン交換樹脂充填塔から排出された溶離液(再生排液)中のＮａ濃度を測定した。

図２は、実施例１〜３及び比較例１の通液工程における１段目及び２段目のイオン交換樹脂充填塔から排出される処理液のｐＨの推移を示す図である。表１に、通液工程終了後の１段目のイオン交換樹脂充填塔に充填されたイオン交換樹脂のＲ−Ｎａ％、１段目のイオン交換樹脂充填塔から排出された溶離液(再生排液)中のＮａ濃度をまとめた。

実施例１〜３では、通液終了後のイオン交換樹脂のＲ−Ｎａ％が０．１％未満となり、溶離液(再生排液)中のＮａ濃度も２０ｍｇ／Ｌ未満となった。この結果は、１段目のイオン交換樹脂充填塔内に充填されたイオン交換樹脂の官能基は重金属等で飽和していることを示している。また、通液終了後の最終処理液中の重金属濃度は１．１ｍｇ／Ｌ（０．０３７ｍｇ当量/Ｌ）であり、最終処理液中に重金属が多量に混入することも抑制された。比較例１では、Ｒ−Ｎａ％が０．３％、溶離液(再生排液)中のＮａ濃度が７０ｍｇ／Ｌとなった。この結果は、１段目のイオン交換樹脂充填塔内に充填されたイオン交換樹脂の官能基は重金属により飽和された状態に至っておらず、官能基由来のＮａが残留していたことを示している。そして、比較例では、イオン交換樹脂の官能基を重金属により飽和させるためには、さらなる通液工程を実施する必要があるが、その場合、最終処理液中に２段目のイオン交換樹脂充填塔内から重金属が多量にリークして、最終処理液中に混入する結果となる。

（実施例４）
実施例４では、ニッケル濃度が４４ｍｇ／Ｌ（１．５ｍｇ当量／Ｌ）、ｐＨが７．５、導電率が１００μＳ／ｃｍの重金属含有溶液を用い、重金属含有溶液の通液速度を２００ｍ／ｈｒとし、重金属含有溶液中の重金属と第１イオン交換樹脂充填塔に通液する重金属含有溶液の通液速度の積を３００としたこと以外は実施例１と同様の条件とした。その結果、重金属含有溶液の総通液量が１１５０Ｌに達した時に、最終処理液のｐＨ値が基準値より０．５低下したため、重金属含有溶液の通液を停止した。

図３は、実施例４の通液工程における１段目及び２段目のイオン交換樹脂充填塔から排出される処理液のｐＨの推移を示す図である。表２に、通液工程終了後の１段目のイオン交換樹脂充填塔に充填されたイオン交換樹脂のＲ−Ｎａ％、１段目のイオン交換樹脂充填塔から排出された溶離液(再生排液)中のＮａ濃度をまとめた。

実施例４では、通液終了後のイオン交換樹脂のＲ−Ｎａ％が０．１％未満となり、溶離液(再生排液)中のＮａ濃度も２０ｍｇ／Ｌ未満となった。この結果は、１段目のイオン交換樹脂充填塔内に充填されたイオン交換樹脂の官能基は重金属で飽和していることを示している。また、通液終了後の最終処理液中の重金属濃度は１．０ｍｇ／Ｌ（０．０３４ｍｇ当量/Ｌ）であり、最終処理液中に重金属が多量に混入することも抑制された。

（実施例５）
実施例５では、第２イオン交換樹脂充填塔内の樹脂量を第１イオン交換樹脂充填塔内の樹脂量の体積比で０．８（２４０ｍＬ）とした以外は、実施例１と同様の試験を行った。処理液のｐＨが０．５低下した時点で通液を終了したところ、通液量は４２５Ｌであった。図４に実施例５の通液工程における１段目及び２段目のイオン交換樹脂充填塔から排出される処理液のｐＨの推移を、表３に通液後のイオン交換樹脂のＲ−Ｎａ％と、溶離液中のＮａ濃度を示した。

（実施例６）
実施例６では、第２イオン交換樹脂充填塔内の樹脂量を第１イオン交換樹脂充填塔内の樹脂量の体積比で０．７（２１０ｍＬ）とした以外は、実施例１と同様の試験を行った。処理液のｐＨが０．５低下した時点で通液を終了したところ、通液量は３９０Ｌであった。図４に実施例６の通液工程における１段目及び２段目のイオン交換樹脂充填塔から排出される処理液のｐＨの推移を、表３に通液後のイオン交換樹脂のＲ−Ｎａ％と、溶離液中のＮａ濃度を示した。

図４及び表３から明らかなように、第２段目のイオン交換樹脂充填塔内の樹脂量が、第１段目のイオン交換樹脂充填塔内の樹脂量に対して体積比で０．８以上である実施例５では、第１段目のイオン交換樹脂充填塔内の樹脂が十分に飽和した後に、第２のイオン交換樹脂充填塔内の樹脂がリークしてｐＨが下がっている。従って、第１段目のイオン交換樹脂充填塔内の樹脂のＲ−Ｎa％が低くなるので、溶離液中のＮａ濃度も低く、重金属の純度は高くなる。また、第２段目のイオン交換樹脂充填塔からの重金属のリークも抑制される。一方で、第２段目のイオン交換樹脂充填塔内の樹脂量が、第１段目のイオン交換樹脂充填塔内の樹脂量に対して体積比で０．７以下である実施例６では、比較例１と比較すると、第１段目のイオン交換樹脂充填塔内の樹脂のＲ−Ｎa％は低く、溶離液中のＮａ濃度も低いため、比較例１より第１段目のイオン交換樹脂充填塔内の樹脂を飽和させ、第２段目のイオン交換樹脂充填塔の樹脂からの重金属のリークを抑制することができていると言える。しかし、実施例５と比較すると、第１段目のイオン交換樹脂充填塔内の樹脂のＲ−Ｎa％は高くなり、溶離液中のＮａ濃度も高くなった。したがって、重金属の純度の低下を鑑みれば、第２段目のイオン交換樹脂充填塔内の樹脂量を、第１段目のイオン交換樹脂充填塔内の樹脂量に対して体積比で０．８以上とすることが好ましい。

１ 処理装置、１０ 貯留槽、１２ 流入ライン、１４ 供給ポンプ、１６ 第１イオン交換樹脂充填塔、１８ 第２イオン交換樹脂充填塔、２０ 一次処理水排出第１ライン、２２ 最終処理水排出ライン、２４ ｐＨ計、２６ 酸貯留槽、２８ 酸添加ライン、３０ 酸添加ポンプ、３２ 溶離液回収ライン、３４ 分岐第１ライン、３６ 一次処理水排出第２ライン、３８ 分岐第２ライン、４０，４２，４４，４６，４８，５０，５４，５６，５８，６０ バルブ。

Claims (6)

1. 少なくとも２つのイオン交換樹脂充填塔を直列に接続した多段式イオン交換樹脂充填塔に重金属含有溶液を通液して、前記溶液から重金属を除去する重金属含有溶液の処理方法であって、
   前記溶液中の重金属濃度（ｍｇ当量／Ｌ）と第１段目のイオン交換樹脂充填塔に通液する前記溶液の通液速度（ｍ／ｈ）との積が３以上３００以下の範囲となるように、前記多段式イオン交換樹脂充填塔に前記溶液を通液し、
   第２段目のイオン交換樹脂充填塔から排出される処理水のｐＨの変動に基づいて、前記第１段目のイオン交換樹脂充填塔のイオン交換樹脂が飽和されたと判断し、前記多段式イオン交換樹脂充填塔への前記溶液の通液を停止することを特徴とする重金属含有溶液の処理方法。
2. 前記第１段目のイオン交換樹脂充填塔のイオン交換樹脂の充填量に対する前記２段目のイオン交換樹脂充填塔のイオン交換樹脂の充填量の比は０．８〜１．２５の範囲であることを特徴とする請求項１記載の重金属含有溶液の処理方法。
3. 前記第１段目のイオン交換樹脂充填塔に通液する前記溶液の通液速度は、１ｍ／ｈ以上２００ｍ／ｈ以下の範囲であることを特徴とする請求項１又は２記載の重金属含有溶液の処理方法。
4. 前記第１段目及び前記第２段目のイオン交換樹脂充填塔に充填されるイオン交換樹脂は、弱酸性カチオン交換樹脂であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の重金属含有溶液の処理方法。
5. 前記第２段目のイオン交換樹脂充填塔から排出される処理水のｐＨの変動が、基準値から０．５以上変動した際、又は０．００３ｐＨ／処理倍量以上となった際に、前記多段式イオン交換樹脂充填塔への前記溶液の通液を停止することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の重金属含有溶液の処理方法。
6. 前記溶液の通液停止後に、前記１段目のイオン交換樹脂充填塔に酸溶液を通液して、前記１段目のイオン交換樹脂充填塔から排出される溶液を回収することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の重金属含有溶液の処理方法。